幽靈般的化學鍵

三葉蟲化學探索科學科學俠 2018-12-04

通常，兩個原子會通過共享電子來形成化學鍵。在最少的情形下，形成一個化學鍵也無疑需要兩個原子。然而據最新研究表明，我們或許可以只用一個原子，就能讓化學鍵形成。

普渡大學的Matthew Eiles和同事想出了一種方法，通過精心操縱一個裡德伯原子（Rydberg atom，有一個電子處於高度激發態）來構造一種所謂的三葉蟲鍵（trilobite）——它以一種電子波函數的名字命名，該波函數的形狀與早已滅絕的節肢動物的化石非常相似。

○ 三葉蟲鍵（左），三葉蟲化石（右）。| 圖片來源：M. Eiles/Purdue University & Wikipedia

裡德伯原子

裡德伯原子具有一個或多個主量子數（n）很大的激發態電子，因為電子的軌道半徑和n²成正比，所以這些激發態電子距離原子核非常遙遠。例如，氫原子核的直徑大約為0.1納米，而主量子數n=137的電子軌道半徑大約為1微米，是原子核尺寸的1萬倍。由於內層電子屏蔽了原子核的電場，以至於外層電子感受到的電勢就如同只有單個電子的氫原子。

裡德伯原子會對外界電磁場產生強烈的反應。我們知道，原子的光譜在電場或磁場中會分裂，原本簡併的量子態會分裂成一系列更為精細的結構，這就是所謂的塞曼效應（Zeeman effect，在磁場中分裂）和斯塔克效應（Stark effect，在電場中分裂）。

○ 斯塔克效應示意圖。裡德伯態的氫原子光譜在外界電場下分裂，每個主量子數為n的量子態包含（n-1）個簡併態，外界電場會破壞這種簡併性，使光譜分裂開來。| 圖片來源：Michael Courtney

從雙原子分子到單原子“幽靈”化學鍵

通常，科學家會在特殊類型的雙原子分子（比如Rb₂和Cs₂）中觀察到三葉蟲鍵。這些雙原子分子的一個原子處於裡德伯態，另一個處於基態。因為裡德伯原子的外層電子佔據著一個非常遠的軌道，這些“三葉蟲分子”異乎尋常的大，比普通的雙原子分子大1000倍左右。

主量子數n很大的電子激發態包含大量簡併態，那些角動量（l）較大的電子態彼此混合，以使電子概率最大化，最終在基態原子附近形成三葉蟲鍵。

Eiles和同事使用數值分析的方法表明，即使不存在基態原子，單獨的裡德伯原子也可以形成這樣的化學鍵，並稱之為“幽靈”化學鍵。

通過施加一個精確序列的交替電磁場脈衝，一個裡德伯氫原子的電子波函數會被塑造成與三葉蟲分子的電子波函數匹配的形狀，正如同基態原子存在時那樣。這會使得一個激發的電子強烈地侷限在空間中的一點，距離原子核數十納米遠。這個波函數會持續至少200微秒，這實際上是將裡德伯氫原子與空間中一個不存在的“幽靈”原子綁定成鍵。

○ 產生主量子數n=70的三葉蟲分子的示意圖。圖中的綠色小圓點表示裡德伯離子，綠色直線表示長度為1.1x10^4個玻爾半徑的標尺。藍色、紅色、粉色表示密度逐漸降低的電子概率分佈。（a）原子的外層電子被激發到ns裡德伯態；（b）磁場逐漸增強，形成塞曼態；（c-d）在磁場達到最大強度時加入短的脈衝電場，形成簡併態的複雜疊加，脈衝序列上不同位置的波函數強烈混合；（e）在脈衝電場的末尾，原初的三葉蟲分子逐漸形成，磁場逐漸退去，最終形成三葉蟲態（f）。| 圖片來源：[1]

實驗人員需要找出方法，以滿足將脈衝與外部電磁場同步的嚴格要求。如果克服了這些障礙並製造出一個幽靈化學鍵，就能夠通過電子或X射線散射實驗觀察到這個系統。